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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Arbeitsbereichs eines Hochvakuumpumpsystems mit einer Hochvakuumpumpe und einer Vorvakuumpumpe.
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Hochvakuumpumpsysteme sind beispielsweise zur Erzeugung eines hohen Vakuums mit einer zu evakuierenden Kammer verbunden. Das Hochvakuumpumpsystem weist hierzu eine Hochvakuumpumpe wie z. B. eine Turbomolekularpumpe auf. Mit dem Pumpenauslass der Hochvakuumpumpe ist eine Vorvakuumpumpe verbunden, bei der es sich beispielsweise um eine Drehschieberpumpe handeln kann. Die in einem Hochvakuumpumpsystem verwendeten Pumpen müssen exakt aufeinander abgestimmt sein, wobei insbesondere die Vorvakuumpumpe auch als Vorvakuumpumpsystem, das gegebenenfalls mehrere Vorvakuumpumpen, Verbindungsrohrstücke etc. aufweisen kann, ausgebildet sein muss.
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Um insbesondere ein Überlasten der Hochvakuumpumpe zu vermeiden, werden vom Hersteller der Hochvakuumpumpe Vorvakuumpumpen bzw. Vorvakuumsysteme empfohlen. Es ist für den Kunden mit großem Aufwand verbunden, ein alternatives Vorvakuumpumpsystem vorzusehen. Dies hat zur Folge, dass der Hersteller der Hochvakuumpumpe unabhängig vom tatsächlichen Einsatzgebiet der Hochvakuumpumpe stets eine Vorvakuumpumpe empfiehlt, mit der die Hochvakuumpumpe auch im Grenzbereich arbeiten kann.
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In dem tatsächlichen Arbeitsbereich, in dem die Hochvakuumpumpe jedoch vom Kunden eingesetzt wird, handelt es sich meistens jedoch nicht um den Grenzbereich. Dies führt dazu, dass die entsprechenden Hochvakuumpumpsysteme nicht optimal eingesetzt sind und durch eine entsprechende Abstimmung ein effektiveres Hochvakuumpumpsystem realisiert werden könnte.
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Eine derartige Abstimmung des eingesetzten Hochvakuumpumpsystems auf die spezifischen Kundenanforderungen ist jedoch aufwändig und muss, um einen zuverlässigen Betrieb der Hochvakuumpumpe zu gewährleisten, in Applikationsversuchen ermittelt werden. Dies ist aufwändig und kann zumeist vom Kunden selbst nicht durchgeführt werden.
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Zur Auslegung entsprechender Hochvakuumpumpsysteme werden von den Herstellern der Hochvakuumpumpen Kenngrößen in Diagrammen bereitgestellt. Hierbei handelt es sich um die Kenngröße des effektiven Saugvermögens über dem Ansaugdruck der Hochvakuumpumpe. Als weitere Kenngröße wird die Kompression über dem Vorvakuumdruck ebenfalls als Diagramm bereitgestellt. Zusätzlich erfolgt gegebenenfalls eine Darstellung der Saugleistung über dem Ansaugdruck der Hochvakuumpumpe.
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Bei der Darstellung des effektiven Saugvermögens über dem Ansaugdruck fehlt zur Anlagenauslegung und Absicherung der Betriebssicherheit der Hochvakuumpumpe jedoch die Angabe der jeweils realisierbaren Druckdifferenz. Auch bei der Darstellung der Kompression über dem Vorvakuumdruck fehlt zur Auslegung und zur Absicherung der Betriebssicherheit der Hochvakuumpumpe die Angabe der jeweils möglichen Saugleistung. Bei der Kenngröße der Saugleistung über dem Ansaugdruck fehlt wiederum zur Anlagenauslegung und Absicherung der Betriebssicherheit der Hochvakuumpumpe die Angabe der jeweilig zulässigen Druckdifferenz.
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Auch kann aus den dargestellten Diagrammen nicht abgelesen werden, ab welchen Grenzwerten die entsprechenden Kennlinien ihre Gültigkeit verlieren. Die Endwerte der dargestellten Funktionen sind offen. Dies hat zur Folge, dass bei Verwendung der bisher zur Verfügung gestellten Diagramme die Anlagenauslegung sowie die Betriebsgrenzen der Hochvakuumpumpen nur dann abgesichert sind, wenn die Hochvakuumpumpe mit der jeweils vom Hersteller empfohlenen Vorvakuumpumpe bzw. dem Vorvakuumpumpsystem kombiniert wird. Möchte ein Kunde ein alternatives Vorvakuumpumpsystem verwenden, sind eine gesicherte Anlagenauslegung und die Betriebssicherheit der Hochvakuumpumpe nicht gewährleistet und es ist erforderlich, diese durch Applikationsversuche nachzuweisen.
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Gegebenenfalls werden von den Herstellern der Hochvakuumpumpen in den Gebrauchsanleitungen noch Angaben über den maximalen Gasdurchsatz, die maximale Vorvakuumbeständigkeit sowie den erreichbaren Enddruck angegeben. Auch diese Angaben führen jedoch nicht zu einer gesicherten Anlagenauslegung und Betriebssicherheit der Hochvakuumpumpe. Die Aussagekraft des maximalen Gasdurchsatzes ist zur Anlagenauslegung nur bedingt geeignet, da diese nicht in Kombination mit Druckangaben angegeben wird. Auch die maximale Vorvakuumbeständigkeit ist ohne die Angabe des Durchsatzes nur bedingt zur Anlagenauslegung geeignet. Auch der erreichbare Enddruck alleine stellt nur einen theoretischen Wert dar, da dieser nicht nur die Hochvakuumpumpe selbst beschreibt, sondern zusätzliche Angaben, wie beispielsweise eine Rezipientenbeschreibung, die Dichtungsweise sowie auch die Angabe des Vorvakuumsystems notwendig sind.
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Insbesondere fehlen bei der Anlagenauslegung Informationen hinsichtlich der thermischen Sicherheit, der maximal zulässigen Druckdifferenzen sowie der Motorleistung/Drehzahlstabilität.
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Die zur Verfügung stehenden Angaben haben zur Folge, dass eine individuelle kundenspezifische Anlagenauslegung nur mit großem Aufwand möglich ist. Der Einsatz anderer als vom Hersteller empfohlener Vorvakuumpumpen bzw. Vorvakuumpumpsysteme ist daher mit erheblichem Aufwand verbunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung eines Arbeitsbereichs eines Hochvakuumpumpsystems zu schaffen, mit dem der Arbeitsbereich einfach bestimmbar ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Arbeitsbereichs eines Hochvakuumpumpsystems mit einer Hochvakuumpumpe und einer Vorvakuumpumpe bzw. einem Vorvakuumpumpsystem erfolgt die Darstellung mehrerer Kennlinien in einem gemeinsamen Diagramm.
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Das erfindungsgemäße gemeinsame Diagramm weist zumindest eine Hochvakuumpumpen-Linie, eine Kompressions-Grenzlinie, eine obere Grenzlinie sowie eine Vorvakuumpumpen-Linie auf. Hierbei ist die Hochvakuumpumpen-Linie durch die Saugleistung der Hochvakuumpumpe in Abhängigkeit des Ansaugdrucks beschrieben. Die Kompressions-Grenzlinie beschreibt den maximal zulässigen Vorvakuumdruck der Hochvakuumpumpe. Die Vorvakuumpumpen-Linie ist durch den Vorvakuumdruck in Abhängigkeit der Saugleistung der Vorvakuumpumpe beschrieben. Die obere Grenzlinie ist durch Schnittpunkte zwischen der Kompressions-Grenzlinie und der Hochvakuumlinie und der Vorvakuumpumpen-Linie definiert. Die obere Grenzlinie beschreibt die maximal in die Hochvakuumpumpe einlassbare Gasmenge. Der entsprechende Arbeitsbereich des Hochvakuumpumpensystems ist durch diese Kurven definiert und liegt unterhalb der Kurven.
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Es ist somit möglich, beispielsweise in einem Diagramm mehrere Vorvakuumpumpen-Linien einzuzeichnen, so dass auf einfache Weise in Abhängigkeit der verwendeten Vorvakuumpumpe der Arbeitsbereich definiert werden kann.
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Dies hat zur Folge, dass es für den Kunden sowie einen Kundenberater einfacher möglich ist, mit einer Hochvakuumpumpe unterschiedliche Vorvakuumpumpen zu verbinden und auf einfache Weise aus einem einzigen Diagramm abzulesen, ob die für den entsprechenden Einsatzzweck geforderte Leistung in dem gewünschten Druckbereich hierdurch erzielt werden kann. Ferner ist es auf einfache Weise möglich, eine Vorvakuumpumpe auszuwählen, mit der in Abhängigkeit des Einsatzzweckes die Hochvakuumpumpe in einem optimalen Leistungsbereich betrieben werden kann. Somit ist es möglich, auf einfache Weise einen dauerhaften Betrieb der Hochvakuumpumpe in Grenzbereichen zu vermeiden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in das Diagramm zur Begrenzung des Arbeitsbereichs des Hochvakuumpumpsystems zusätzlich eine untere Begrenzungslinie eingetragen. Die untere Begrenzungslinie ist durch die minimal erreichbare Hochvakuumgasmenge bestimmt. Vorzugsweise verläuft die untere Begrenzungslinie parallel zu einer der Koordinatenachsen, auf der der Druck aufgetragen wird. Die untere Begrenzungslinie wird vorzugsweise dadurch bestimmt, dass auf der Hochvakuumpumpen-Linie der minimale Hochvakuumdruck eingetragen wird und ausgehend von diesem Punkt eine sich parallel zu der Koordinatenachse, auf der der. Druck aufgetragen ist, verlaufende Linie in das Diagramm eingetragen wird. Durch die untere Begrenzungslinie ist somit eine, bezogen auf den Arbeitsbereich, untere Grenze definiert. Hierdurch wird eine Auslegung des Hochvakuumpumpsystems außerhalb des Grenzbereichs der Hochvakuumpumpe vermieden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in das erfindungsgemäße Diagramm vorzugsweise zusätzlich zu der unteren Begrenzungslinie eine weitere Kompressions-Grenzlinie eingetragen. Durch die Kompressions-Grenzlinie ist definiert, an welchem Grenzdruck in Abhängigkeit der Saugleistung eine konstante molekulare Kompression erfolgt.
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Die untere Begrenzungslinie des Arbeitsbereichs kann insbesondere auch durch einen Schnittpunkt zwischen der molekularen Kompressions-Grenzlinie und der Vorvakuumpumpen-Linie bestimmt werden und verläuft ausgehend von diesem Schnittpunkt vorzugsweise parallel zur Druckachse. Hierdurch entsteht ein weiterer Schnittpunkt, der Molekularen Kompressions-Grenzlinie mit der Hochvakuumpumpen-Linie. Dieser Schnittpunkt definiert sodann den minimal erreichbaren Hochvakuumdruck.
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Auch die obere Grenzlinie verläuft vorzugsweise parallel zur Druckachse des Diagramms. Wenn die obere Grenzlinie durch einen Schnittpunkt zwischen der Vorvakuumpumpen-Linie und der Kompressions-Grenzlinie verläuft, ergibt sich ein weiterer Schnittpunkt zwischen der oberen Grenzlinie und der Hochvakuumpumpen-Linie.
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In einem Diagramm, in dem die Saugleistung über dem Druck aufgetragen ist, liegt der Arbeitsbereich oberhalb dieser molekularen Kompressions-Grenzlinie. In einem entsprechenden Diagramm liegt der Arbeitsbereich auch oberhalb der unteren Begrenzungslinie und entsprechend unterhalb der Hochvakuumpumpen-Linie sowie der Vorvakuumpumpen-Linie.
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Ferner ist es möglich, mehrere Vorvakuumpumpen-Linien in das Diagramm einzutragen, die nicht nur unterschiedliche Vorvakuumpumpen oder Vorvakuumpumpsysteme definieren. Außerdem kann auch die Kühlungsart der Hochvakuumpumpe durch verschiedene Kompressions-Grenzlinien berücksichtigt werden. Hierbei kann es sich insbesondere um wasser- oder luftgekühlte Systeme handeln.
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In bevorzugter Ausführungsform handelt es sich um ein zweidimensionales Diagramm, so dass dieses von Kunden leicht interpretierbar ist. Hierbei ist es bevorzugt, dass auf den Koordinatenachsen der Druck und die Saugleistung aufgetragen sind, wobei der Druck vorzugsweise auf der Abszisse und die Saugleistung auf der Ordinate aufgetragen worden ist. Besonders bevorzugt ist eine logarithmische Aufteilung der Koordinatenachsen, da hierdurch eine gute graphische Darstellung und Ablesbarkeit des Diagramms gewährleistet ist.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform ist der Arbeitsbereich geschlossen bzw. durch die entsprechenden Linien begrenzt. Hierbei erfolgt die Begrenzung des Arbeitsbereichs durch die Hochvakuumpumpen-Linie, die Vorvakuumpumpen-Linie, die untere Begrenzungslinie sowie die beiden Kompressions-Grenzlinie.
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In bevorzugten Ausführungsformen des Diagramms schneiden sich somit die Hochvakuumpumpen-Linie und die von der Kühlart der Hochvakuumpumpe abhängige Kompressions-Grenzlinie und/oder die Vorvakuumpumpen-Linie und die untere Begrenzungslinie und/oder die Vorvakuumpumpen-Linie und die molekular Kompressions-Grenzlinie und/oder die Hochvakuumpumpen-Linie und die untere Begrenzungslinie und/oder die von der Kühlart der Hochvakuumpumpe abhängige Kompressions-Grenzlinie und die molekulare Kompressions-Grenzlinie.
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Das erfindungsgemäße Diagramm weist somit den wesentlichen Vorteil auf, dass der komplette Arbeitsbereich einer Hochvakuumpumpe beschrieben ist, wobei die Beschreibung unabhängig von einer empfohlenen Vorvakuumpumpe bzw. einem empfohlenen Vorvakuumpumpsystem erfolgt.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Darstellung lassen sich insbesondere die folgenden Kenngrößen direkt ablesen bzw. bestimmen:
- • Enddruck
– einschließlich minimalster Gasmenge (kleinste zu transportierende Gasmenge)
– einschließlich maximaler Vorvakuumbeständigkeit (maximale Druckdifferenz)
- • Zu jeder Gasmenge (Saugleistung) lässt sich die maximal mögliche Druckdifferenz ablesen (maximale effektive Kompression). Hierdurch ist das Bestimmen des effektivsten Vorvakuumpumpsystems möglich.
- • Sicherstellung der Betriebssicherheit durch Kenntnis der thermischen Grenzen einschließlich maximal zulässiger Druckdifferenz und Motorleistung/Drehzahlstabilität.
- • Bestimmung der maximalen Durchsatzmenge einschließlich des dafür erforderlichen Vorvakuumsystems innerhalb der Betriebssicherheitsgrenzen.
- • Sicherstellung der Hochvakuumperformance durch Lage der Kennlinie des Vorvakuumpumpsystems innerhalb des Q-p-Kennfeldes.
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Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit, das vollständige Hochvakuumpumpsystem innerhalb eines einzigen Kennfeldes gesichert abzubilden, ist die Anlagenauslegung bzw. Applikationsberatung erheblich verbessert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierzu zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Diagramm der Pumpleistung über dem Druck ohne Vorvakuumpumpen-Linie und
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2 ein erfindungsgemäßes Diagramm der Pumpleistung über dem Druck mit Vorvakuumpumpen-Linien.
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1 zeigt die Pumpleistung einer Turbomolekularpumpe, wobei es sich beispielsweise um die Pumpe TW 70 DN 65 handelt. Auf den logarithmischen Koordinatenachsen ist auf der Abszisse der Druck p in mbar und auf der Ordinate die Saugleistung Q in mbarl/s aufgetragen.
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Die Linie 10 bezeichnet die Hochvakuumpumpen-Linie. Die Linie 10 beschreibt somit die Saugleistung der Hochvakuumpumpe in Abhängigkeit des Ansaugdrucks. Aufgrund der gewählten logarithmischen Auftragung ergibt sich eine Gerade.
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Die Linie 12 beschreibt eine Kompressions-Grenzlinie, die den maximalen Vorvakuumdruck der Hochvakuumpumpe beschreibt. Die Kompressions-Grenzlinie 12 ist kühlartbedingt, wobei es sich bei der Kompressions-Grenzlinie 12 um (z. B.) eine Grenzlinie bei Wasserkühlung handelt.
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In dem Diagramm ist eine weitere Kompressions-Grenzlinie 14 eingezeichnet, bei der es sich um eine Grenzlinie bei Luftkühlung der Hochvakuumpumpe handelt.
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Ferner ist in das Diagramm in 1 eine weitere Kompressions-Grenzlinie 20 eingetragen. Diese definiert die Grenzlinie der konstanten molekularen Kompression.
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Eine weitere Grenzlinie ist durch die untere Begrenzungslinie 16 definiert. Die untere Begrenzungslinie 16 wird derart bestimmt, dass auf der Hochvakuumpumpen-Linie 10 der Punkt 18 bestimmt wird. Der Punkt 18 definiert den minimal erreichbaren Hochvakuumdruck. Ausgehend von dem Punkt 18 wird die untere Grenzlinie dadurch bestimmt, dass sie parallel zu der Abszisse bzw. der Achse, auf der der Druck aufgetragen ist, verläuft.
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Durch die Grenzlinien 10, 16, 20 und je nach verwendeter Turbomolekularpumpen-Kühlungsart die Grenzlinie 12 oder 14 ist ein geschlossener Arbeitsbereich 22 definiert.
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2 entspricht der 1, wobei zusätzlich zwei Vorvakuumpumpen-Linien 24 und 32 eingetragen sind.
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Handelt es sich um eine luftgekühlte Hochvakuumpumpe, so ist die Kompressions-Grenzlinie 14 relevant. Bei Verwendung einer Vorvakuumpumpe mit der Vorvakuumpumpen-Linie 24 ergibt sich somit ein Schnittpunkt 34 der Vorvakuumpumpen-Linie 24 mit der Kompressions-Grenzlinie 14. Ausgehend von dem Schnittpunkt 34 ist in das Diagramm horizontal, d. h. parallel zur Druckachse die obere Grenzlinie 36 eingetragen. Die obere Grenzlinie 36 begrenzt den Arbeitsbereich 22 bei Verwendung einer derartigen Vorvakuumpumpe nach oben. Die obere Grenzlinie 36 definiert einen Schnittpunkt 38 mit der Hochvakuumlinie 10. Dieser Schnittpunkt definiert den maximalen Hochvakuum-Arbeitspunkt bei maximalem Gasdurchsatz.
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Ein weiterer Schnittpunkt 40 ergibt sich zwischen der Vorvakuumpumpen-Linie 24 und der molekularen Kompressions-Grenzlinie 20. Ausgehend von dem Schnittpunkt 40 kann wiederum eine parallel zur Druckachse verlaufende Linie 42 in das Diagramm eingetragen werden, sodass sich ein weiterer Schnittpunkt 44 mit der Hochvakuumlinie 10 ergibt. Durch die Linie 42 ist der Arbeitsbereich 22 nach unten begrenzt. Der Punkt 44 definiert den mit dem System minimal erreichbaren Hochvakuumdruck. Der Punkt 40 definiert den zugehörigen maximalen Vorvakuumdruck.
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Ferner ist in das Diagramm eine Linie 26 eingetragen, die einen Übergangsbereich zwischen der Hochvakuumpumpe und der Vorvakuumpumpe beschreibt. Die Linie 26 liegt außerhalb des Arbeitsbereichs. Ein dauerhafter Betrieb der Hochvakuumpumpe ist hier nicht möglich.
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Entsprechend kann die in dem Diagramm dargestellte Hochvakuumpumpe auch mit einer anderen Vorvakuumpumpe, bzw. mit einem anderen Vorvakuumpumpensystem betrieben werden, das eine Kennlinie 32 aufweist. Bei einem wassergekühlten Hochvakuumpumpsystem ergeben sich sodann Schnittpunkte 46 und 48, die den Schnittpunkten 34 bzw. 38 entsprechen.
